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奧氏體不銹鋼晶間腐蝕研究狀況
發布者:不銹鋼管廠(www.0000317.buzz) 發布時間:2020/4/15 閱讀:513

 浙江宏盛特鋼有限公司介紹了奧氏體不銹鋼的特點,詳細分析了奧氏體不銹鋼發生晶間腐蝕的機理、原因、影響因素,并且提出了防止晶間腐蝕的有效措施。
 
 
  奧氏體不銹鋼按主要組織狀態分為馬氏體、鐵素體、奧氏體3大類,其中以奧氏體不銹鋼應用最廣泛,占到總量的70%~80%。它具有非常優越的不銹性、耐蝕性、高溫性、低溫性、無磁性以及良好的工藝性。它能抗腐蝕是因為其表面能形成一層具有保護性的鈍化膜(Cr2O3)。然而,一旦這層鈍化膜遭到破壞,而又缺乏自鈍化的條件或能力,不銹鋼就會發生腐蝕。奧氏體不銹鋼有應力腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕等傾向,其中最危險的是晶間腐蝕。為了防止不銹鋼的晶間腐蝕,必須對不銹鋼的特性及其發生晶間腐蝕的規律有一個深刻的、全面的了解。奧氏體不銹鋼最大特點是耐腐蝕、耐高溫、耐低溫,其基體電極電位高,不容易發生電化學腐蝕。但是奧氏體不銹鋼在一定溫度范圍內緩慢冷卻時,在晶界上有高鉻的碳化物Cr23C6析出,造成碳化物鄰近部分貧鉻,引發晶間腐蝕傾向,基體的電極電位下降,其耐腐蝕性也大大降低。奧氏體不銹鋼的機械性能比較低,和鐵素體不銹鋼—樣不能熱處理強化,但可以通過冷加工變形的方法,利用加工硬化作用提高它們的強度。不銹鋼對晶間腐蝕及應力腐蝕比較敏感,需通過適當地合金添加劑及工藝措施消除。


一、不銹鋼晶間腐蝕機理

   在一定的溫度(450~850℃)范圍內奧氏體內的過飽和碳會與固溶體的鉻結合形成Gr23C6碳化物在晶粒間界沉淀析出,由于碳向晶粒間界的擴散速度大于鉻的擴散速度,因此,在碳化物周圍的固溶體內即在晶粒間界及其鄰近的區域的鉻由于Gr23C6碳化物析出,含量大大降低,而晶內的鉻又來不及向晶界擴散,因而形成貧鉻區。當鉻的含量低于鈍化所需的鉻含量(大約12%),鈍態受到破壞電位下降,而晶內仍保持鈍態,從而構成了大陰極(基體)和小陽極(晶界區的貧鉻區)的微電偶電池,加速了晶粒間界的腐蝕。碳化物沉淀(Gr23C6)析出的溫度為450~850℃,這是不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度范圍,也稱其為危險溫度范圍。


二、不銹鋼晶間腐蝕原因分析

1. 碳化鉻沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中碳與鉻形成復雜的不穩定的間隙碳化物Cr23C6,分子呈正交晶格結構,此種碳化物與鐵的親和力較強,在高溫時,形成的(Cr、Fe)23C6溶于具有體心立方晶格的相中,溫度愈高,則碳化物溶解的愈多。這種狀態以急速冷卻方法保存在室溫時,形成過飽和固溶體,但在緩慢冷卻過程中,碳化物為了保持平衡,會從固溶體中析出。過飽和固溶體不是穩定的,在敏化處理溫度[4](450~850℃)再加熱時,碳化物沿晶粒間界優先析出,奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕趨勢。當溫度高于730℃時,晶間的碳化鉻是孤立的顆粒,晶間腐蝕趨勢小;低于650℃時,晶間的碳化鉻在晶界面上形成連續的片狀,晶間腐蝕趨勢增大。


2. 相沉淀引起的晶間腐蝕

   超低碳不銹鋼晶間腐蝕,是由于σ相(FeCr的金屬間化合物)在晶界的析出,引起晶界區域貧鉻,導致產生晶間腐蝕。由于σ相比γ相耐腐蝕,在強氧化-還原電位下,σ相產生選擇性的晶間腐蝕。


3. MC沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中含有一定量的M元素,在500~900℃范圍內加熱,同時在氧化介質中工作,融合線區會出現沿晶界的腐蝕。在熔化焊接時,這個部位要加熱到固相線附近的高溫,不僅M23C6完全溶解,第2次加熱時,TiC、NbC也全部溶解,這些碳化物都會沉淀,并且都沿晶界進行。在緩慢冷卻過程中,溶解后的M23C6以樹枝狀形態的MC沉淀,在氧化介質中,MC可以被溶解而導致刀線腐蝕。


4. 吸附沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中含有少量的雜質磷,磷在晶界面產生吸附,與晶界交互作用,晶界處部分球狀碳化物受侵蝕。在900~1000℃,晶界有少量的球狀碳化物受侵蝕,溫度越高,吸附越小,在鋼的熔點(1458~1470℃)吸附消失。因此在亞溫相P到熔點才完全溶解。


三、不銹鋼晶間腐蝕的影響因素

1. 化學成分的影響

  碳元素:   是對不銹鋼敏化起著重要作用的關鍵性元素,含碳量愈高,碳的擴散量愈多,碳化物形成的就多,鉻的消耗量就大,使得晶間腐蝕傾向滲入晶界的深度加大。

 鉻元素: 鉻含量增加時,有利于貧鉻區與富鉻區含鉻量的平衡,從而降低了晶間腐蝕的敏感性。

 鎳元素: 含鎳量增加可降低碳在不銹鋼中的溶解度,并促進碳化物(Cr23C6)的析出和長大,所以鎳的含量增加會增加晶間腐蝕敏感性。
 
 氮元素:   氮的含量最好控制在0.10%以下,可以降低晶間腐蝕的敏感性。降低氮含量,既增強抗晶間腐蝕的能力,又增加了鋼的強度和韌性。
 硅元素:  少量的硅會降低鋼抗晶間腐蝕的能力,特別是對含鉬的不銹鋼,硅的有害作用更加顯著;但高含量的硅,可以使非敏化狀態的不銹鋼在強氧化介質中有良好的抗晶間腐蝕能力。一般在晶間腐蝕的區域,硅的含量不超過晶粒本體的2~3倍。

 錫元素和鉛元素:  這些低熔點微量有害元素的存在會在晶界形成低熔點共晶體,降低晶界的強度,應嚴格控制,降低到最低水平。


2. 組織結構的影響

   在奧氏體不銹鋼的相結構中,如果僅僅是單相奧氏體時,抗晶間腐蝕性能較差。但如果在其組織結構中存在鐵素體時,形成樹枝狀的奧氏體-鐵素體雙相組織,能大大提高抗晶間腐蝕的能力,因為鐵素體中鉻的含量遠大于奧氏體中的鉻含量,鐵素體中的大量的鉻會及時析出與碳結合,而不至于在晶界處形成貧鉻區。


3. 熱處理工藝的影響

  由于碳和鉻的擴散速率不同,晶間腐蝕傾向受加熱溫度和加熱時間,兩個因素的影響,恰當的熱處理選擇和合理的操作可以消除貧鉻區、穩定金屬組織。450~850℃為奧氏體不銹鋼敏化溫度,故可將溫度控制在450℃以下,在此溫度不會產生Cr23C6;將溫度升高到850℃以上,提高Cr的擴散速度,使足夠的鉻在晶界處與碳結合,就不會在晶界處形成貧鉻區,也就會降低發生晶間腐蝕的幾率。不銹鋼在加熱過程中,在敏化溫度區停留時間越短,發生晶間腐蝕的機會越小。


4. 腐蝕介質的影響

  腐蝕介質的種類與成分組成不僅決定是否引起晶間腐蝕,而且也影響晶間腐蝕的程度。通常奧氏體不銹鋼在性介質中遭受的晶間腐蝕較為嚴重,在硫或硝中添加氧化性陽離子如Cu2+、Hg2+及Cr6+等都將加速晶界陽極溶解的速度,即加速晶間腐蝕。


四、不銹鋼晶間腐蝕的防止措施

  為了防止不銹鋼晶間腐蝕可以通過改變不銹鋼的化學成分和熱處理工藝兩條途徑。具體措施為:

  1. 降低不銹鋼中的碳含量。這是防止不銹鋼晶間腐蝕的最重要的措施。一般認為不銹鋼中含碳量降低到0.03%以下(所謂超低碳不銹鋼)便可避免晶間腐蝕。

  2. 在不銹鋼中加入鈮和鈦。加入與碳親和力很強的元素鈮或鈦,生成穩定碳化物,從而防止晶間腐蝕的發生。但需要注意的是,若在強氧化介質(如硝)中加入鈮和鈦,反而有害,因為生成的TiC易被溶解。

 3. 固溶淬火處理。固溶淬火處理[能使碳化物不析出或少許析出,故可防止晶間腐蝕。具體工藝為將奧氏體不銹鋼加熱至1050~1150℃,使Cr23C6溶解,水淬,迅速通過敏化溫度區,使合金保持含鉻的均一態。


五、結論

   由于晶間腐蝕各個因素之間是相互影響并相互聯系的,因此,想要盡量避免晶間腐蝕行為的發生,還有待于從金屬腐蝕理論的角度出發,對奧氏體不銹鋼的特性及其各個影響因素之間的關系作進一步的探討,加速對其耐腐蝕能力的研究,從而開發研制出更加優越的不銹鋼,使不銹鋼的用途越來越廣泛。

 
 

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